Elektronische eigenschappen van gecondenseerde materie worden vaak bepaald door een ingewikkelde competitie tussen kinetische energie die tot doel heeft elektronische golffuncties over het kristalrooster te overlappen en te delokaliseren, en het lokaliseren van elektron-elektron interacties. In tegenstelling tot, de gasfase wordt gekenmerkt door valentie-elektronen die strak gelokaliseerd zijn rond de ionische atoomkernen in discrete kwantumtoestanden met goed gedefinieerde energieën. Als een exotische hybride van beide situaties, men kan zich afvragen welke toestand van materie wordt gecreëerd wanneer een gas van geïsoleerde atomen plotseling wordt geëxciteerd tot een toestand waarin elektronische golffuncties elkaar ruimtelijk overlappen, zoals in een vaste stof?

Zo'n exotische fase van materie, echter, is tot nu toe in principe niet mogelijk geweest om te creëren. Hier, Professor Kenji Ohmori, Instituut voor Moleculaire Wetenschappen, Nationale instituten voor natuurwetenschappen in Japan, en zijn collega's hebben zo'n exotische hybride gerealiseerd met overlappende hooggelegen elektronische (Rydberg) golffuncties, coherent gecreëerd binnen slechts 10 picoseconden door ultrasnelle laserexcitatie in een kunstmatig microkristal van ultrakoude atomen. De mate van ruimtelijke overlap wordt actief afgestemd met een precisie en nauwkeurigheid van bijna 50 nanometer. Dit exotische metaalachtige kwantumgas onder voortreffelijke controle en langlevend, vervallen in nanoseconden, opent een volledig nieuw regime van veellichamenfysica voor het simuleren van ultrasnelle veellichamenelektronendynamica gedomineerd door Coulomb-interacties.

Het experiment werd uitgevoerd met een ensemble van 30, 000 rubidium-atomen in de gasfase. Het werd afgekoeld tot een temperatuur onder een 10 miljoenste van 1 Kelvin boven het absolute nulpunt door middel van laser-/verdampingskoeling. Die ultrakoude atomen in de energetisch laagste kwantumtoestand, aangeduid als een Bose-Einstein-condensaat, worden geladen in een kubisch rooster van optische vallen gevormd met tegengesteld voortplantende laserstralen, resulterend in een kunstmatig microkristal bestaande uit 30, 000 atomen, waarvan de dichtstbijzijnde buurafstand 0,5 micron is. Dit microkristal met een grootte van enkele tientallen micrometers werd bestraald met een ultrakorte laserpuls waarvan de pulsduur 10 picoseconden was. Vervolgens werd waargenomen dat een elektron opgesloten in elk van de naburige atomen werd geëxciteerd naar zijn gigantische elektronische orbitaal (Rydberg-orbitaal), zodat ze elkaar ruimtelijk overlappen. De mate van overlap werd voortreffelijk gecontroleerd met een precisie en nauwkeurigheid van bijna 50 nanometer door de laserfrequentie te veranderen die de orbitaal selecteert.

Wanneer de orbitalen van deze losjes gebonden elektronen elkaar overlappen en de atomen hun orbitalen beginnen te delen, ze gaan een nieuw metaalachtig kwantumgasregime binnen. Zo hebben prof. Ohmori en zijn collega's voor het eerst een metaalachtig kwantumgas gecreëerd. Deze fase van exotische materie wordt verwacht als een baanbrekend platform voor kwantumsimulatie van ultrasnelle veellichaamselektronendynamica gedomineerd door Coulomb-interacties die ons begrip van fysieke eigenschappen van materie, waaronder supergeleiding en magnetisme, zou verbeteren, en zou kunnen bijdragen aan disruptieve innovatie bij de ontwikkeling van nieuwe functionele materialen.

De studie is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .